CH701165B1 - Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter - Google Patents
Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter Download PDFInfo
- Publication number
- CH701165B1 CH701165B1 CH01513/07A CH15132007A CH701165B1 CH 701165 B1 CH701165 B1 CH 701165B1 CH 01513/07 A CH01513/07 A CH 01513/07A CH 15132007 A CH15132007 A CH 15132007A CH 701165 B1 CH701165 B1 CH 701165B1
- Authority
- CH
- Switzerland
- Prior art keywords
- inverter
- circuit arrangement
- inverter circuit
- arrangement according
- converter
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1582—Buck-boost converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/381—Dispersed generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
- H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
- H02J2300/22—The renewable source being solar energy
- H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
- H02M1/007—Plural converter units in cascade
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
Abstract
Description
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit Gleichspannungszwischenkreis nach Patentanspruch 1. The invention relates to an inverter circuit arrangement with DC voltage intermediate circuit according to claim 1.
[0002] Derartige Wechselrichter-Schaltungsanordnungen werden beispielsweise zur Ankopplung von grösseren Photovoltaikgeneratoren an Wechselstromnetze verwendet und sind Wechselrichtern mit potentialtrennenden Transformatoren im Allgemeinen hinsichtlich des hohen Umwandlungswirkungsgrades sowie vergleichsweise niedrigen Gewichts und Bauvolumens überlegen. Such inverter circuit arrangements are used for example for coupling of larger photovoltaic generators to AC grids and are superior inverters with potential-separating transformers generally in terms of high conversion efficiency and relatively low weight and volume.
Stand der TechnikState of the art
[0003] In der Veröffentlichung B. Burger, «Der BWR-500 – trafoloser Wechselrichter mit höchstem Wirkungsgrad», Symp. PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, März 1994, Seite 556, wird ein transformatorloser Wechselrichter zur Ankopplung einer Photovoltaikanlage an ein Wechselspannungsnetz vorgestellt, der aus nur drei leistungsführenden Komponenten aufgebaut ist, und zwar einem gleichstromseitigen Glättungskondensator, einer wechselstromseitigen Induktivität und einer zwischenliegenden Wechselrichterbrücke, die aus einer Kombination von vier Taktschaltern, speziell Leistungshalbleitern in Form von MOSFETs und IGBTs besteht und die Gleichspannung des Solargenerators in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung wandelt. Weitere Wechselrichter-Schaltungsanordnungen zur Netzankopplung von Photovoltaikanlagen sind in den Veröffentlichungen B. Gruss et al., 12. Symp. PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, 26.–28.02.1997, Seite 324, für einphasige und dreiphasige Ausführungen beschrieben. In the publication B. Burger, "The BWR-500 - transformerless inverter with the highest efficiency", Symp. PV solar energy, OTTI, Staffelstein, March 1994, page 556, a transformerless inverter for coupling a photovoltaic system is presented to an AC voltage network which consists of only three power-carrying components, namely a DC side smoothing capacitor, an AC side inductor and an intermediate inverter bridge, which consists of a combination of four clock switches, especially power semiconductors in the form of MOSFETs and IGBTs and the DC voltage of the solar generator in a pulse width modulated AC voltage converts. Further inverter circuit arrangements for network coupling of photovoltaic systems are described in the publications B. Gruss et al., 12th Symposium PV Solar Energy, OTTI, Staffelstein, 26.-28.02.1997, page 324, for single-phase and three-phase versions.
[0004] In der Offenlegungsschrift DE 10 221 592 A1 ist ein Wechselrichter mit zwei eingangsseitigen Gleichspannungsanschlüssen offenbart, denen ein Energiezwischenspeicher und eine Brückenschaltung parallel geschaltet sind, die wenigstens zwei Paralleläste mit jeweils zwei in Reihe geschalteten, getaktet ansteuerbaren Schaltern aufweist. Letzteren ist je eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet. Zwei Wechselspannungsanschlüsse sind über je eine Verbindungsleitung mit jeweiliger Speicherdrossel mit je einem der Paralleläste der Brückenschaltung jeweils zwischen zwei der Schalter verbunden. Zwischen den beiden Verbindungsleitungen befindet sich ein ansteuerbarer Schaltkreis, der die beiden Verbindungsleitungen in einem ersten Zustand elektrisch miteinander verbindet und in einem zweiten Zustand eine ohmsche Entkopplung bewirkt. Dabei wird der Schaltkreis so gesteuert, dass er mit Beginn und während einer Halbwelle der Wechselspannung den ersten Zustand annimmt, wenn die vier Schalter sämtlich geöffnet sind, und den zweiten Zustand einnimmt, wenn wenigstens einer der Schalter geschlossen ist, und gegen Ende einer jeweiligen Halbwelle bis zum Beginn der nächsten Halbwelle im zweiten Zustand bleibt. Vorteilhaft sind hierbei die grundsätzlich nur niederfrequenten sinusförmigen Potentiale mit überlagertem Gleichanteil des Photovoltaikgenerators gegenüber Erde, wodurch sich günstige EMV-Eigenschaften ergeben. In the published patent application DE 10 221 592 A1 an inverter with two input-side DC voltage terminals is disclosed, which an energy buffer and a bridge circuit are connected in parallel, which has at least two parallel branches, each with two series-connected, clocked controllable switches. The latter, a rectifier diode is connected in parallel. Two AC voltage connections are each connected via a connecting line with respective storage inductor with one of the parallel branches of the bridge circuit between each two of the switches. Between the two connecting lines is a controllable circuit which electrically connects the two connecting lines in a first state with each other and in a second state causes an ohmic decoupling. In this case, the circuit is controlled so that it assumes the first state at the beginning and during a half cycle of the AC voltage, when the four switches are all open, and the second state when at least one of the switches is closed, and towards the end of a respective half cycle remains in the second state until the beginning of the next half wave. Advantageously, in this case are basically only low-frequency sinusoidal potentials with superimposed DC component of the photovoltaic generator to earth, resulting in favorable EMC properties.
[0005] In der Patentschrift DE 10 2004 030 912 B3 ist ein Wechselrichter beschrieben, der hinsichtlich der Potentiale des Photovoltaikgenerators zum gleichen Ergebnis wie DE 10 221 592 A1 führt, jedoch anstelle von 6 Leistungsschaltern mit nur 5 Leistungsschaltern auskommt und zudem mit einem asymmetrischen Steuerungsverfahren arbeitet. In the patent DE 10 2004 030 912 B3 an inverter is described, which leads to the same result as the DE 10 221 592 A1 with regard to the potential of the photovoltaic generator, but instead of 6 circuit breakers with only 5 circuit breakers and also with an asymmetric control method is working.
[0006] In der Patentschrift DE 19 732 218 C1 wird eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die eine potentialfeste Leiterverbindung zwischen einem ersten, z.B. eingangsseitigen, Gleichstromanschluss und einem ersten, z.B. ausgangsseitigen, Wechselspannungsanschluss aufweist. In Hinblick auf den Anschluss eines Photovoltaikgenerators hat dies zur Folge, dass ein Anschlusspol auf dem erdnahen Neutralleiter des Versorgungsnetzes liegt, wodurch sich sowohl bei den einphasigen als auch bei den dreiphasigen Schaltungsvarianten gleichstromseitig ruhende Potentiale gegenüber Erde und somit sehr geringe EMV-Probleme ergeben. In the patent DE 19 732 218 C1, a transformerless inverter circuit arrangement is proposed, which is a potential-resistant conductor connection between a first, e.g. input side, DC and a first, e.g. output side, has AC voltage connection. With regard to the connection of a photovoltaic generator, this has the consequence that a terminal pole on the low-lying neutral conductor of the supply network, resulting in both the single-phase and the three-phase circuit variants DC side dormant potentials to earth and thus very low EMC problems.
[0007] In der Veröffentlichung D. Schekulin, H. Mecke: «Wechselrichter für Netzkopplung von Photovoltaikgeneratoren», Tagungsband der Fachtagung Leistungselektronik und intelligente Bewegungssteuerung 1999 (LIBS ’99), ISBN 3-00-004 031-5, Magdeburg, 24.–25.3.1999, S. 69–74, wird eine Schaltungsanordnung für einen transformatorlosen Wechselrichter präsentiert, bei dem sich gleichstromseitig ruhende und gegenüber Erdpotential symmetrische Potentiale einstellen. Ermöglicht wird dies über ein Speicherwandlerprinzip, bei dem die Gleichstromseite und der Spannungszwischenkreis der Wechselrichterbrücke in jedem Schaltzustand des Speicherwandlers ohmsch entkoppelt ist. Aufgrund der ruhenden und symmetrischen Potentiale der Gleichstromseite ergeben sich beim Einsatz in netzgekoppelten Photovoltaikanlagen weder EVM-Probleme noch unerwünschte kapazitive Ableitströme über den Photovoltaikgenerator. In the publication D. Schekulin, H. Mecke: «Inverters for network coupling of photovoltaic generators», Proceedings of the conference power electronics and intelligent motion control 1999 (LIBS '99), ISBN 3-00-004 031-5, Magdeburg, 24. -25.3.1999, pp 69-74, a circuit arrangement for a transformerless inverter is presented, in which the dc side stationary and ground potential symmetrical potentials set. This is made possible by a memory converter principle, in which the DC side and the voltage intermediate circuit of the inverter bridge is ohmically decoupled in each switching state of the memory converter. Due to the dormant and symmetrical potentials of the DC side, there are no EVM problems or undesirable capacitive leakage currents via the photovoltaic generator when used in grid-connected photovoltaic systems.
Aufgabenstellungtask
[0008] Bei den heutigen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen treten häufig insbesondere in Verbindung mit herkömmlichen transformatorlosen Wechselrichtern hoch- und niederfrequente generatorseitige Potentialschwankungen gegenüber Erde auf, was zu unerwünschten kapazitiven Ableitströmen führt. Diese kapazitiven Ableitströme sind bei grossen Photovoltaikanlagen kaum beherrschbar, weshalb dort vorzugsweise zentrale Wechselrichter mit galvanischer Trennung eingesetzt werden. Das führt aber in der Praxis einerseits zu generatorinternen Fehlanpassungen (sog. Mismatch-Verlusten) und andererseits zu zusätzlichen Transformatorverlusten. In today's grid-connected photovoltaic systems often occur in particular in conjunction with conventional transformerless inverters high and low frequency generator side potential fluctuations to earth, resulting in undesirable capacitive leakage currents. These capacitive leakage currents are hardly manageable in large photovoltaic systems, which is why there are preferably used central inverters with galvanic isolation. In practice, however, this leads to generator-internal mismatches (so-called mismatch losses) and, on the other hand, to additional transformer losses.
[0009] In der Patentschrift DE 19 732 218 C1 und in der Veröffentlichung D. Schekulin, H. Mecke: «Wechselrichter für Netzkopplung von Photovoltaikgeneratoren» ist dieses Problem zwar gelöst, beide vorgeschlagenen Topologien eignen sich jedoch aufgrund der relativ grossen Beanspruchung der Leistungsschalter nur bedingt für höhere Leistungen, wie sie derzeit infolge des technologischen Fortschritts im Trend liegen. In the patent DE 19 732 218 C1 and in the publication D. Schekulin, H. Mecke: «inverter for grid coupling of photovoltaic generators» this problem is indeed solved, but both proposed topologies are due to the relatively large stress of the circuit breaker only conditional on higher performance, which is currently the trend as a result of technological progress.
[0010] Aufgrund dieser immer höheren Leistungen muss wegen des Schieflastproblems bei einphasiger Einspeisung ab etwa 5 kW Photovoltaikspitzenleistung auf eine dreiphasige Netzankopplung übergegangen werden. Dies erzwingt bei transformatorlosen Wechselrichtern heute den Einsatz von IGBTs mit einer typischen Sperrspannungsfestigkeit von 1200 V. Damit verbunden sind wiederum Wirkungsgradeinbussen aufgrund der vergleichbar höheren Schaltverluste, so dass dreiphasige Wechselrichter derzeit typischerweise einen etwa 2–3 % geringeren Wirkungsgrad als einphasige Wechselrichter aufweisen. Because of this ever higher performance must be transferred to a three-phase grid connection because of the unbalanced load problem in single-phase feed from about 5 kW photovoltaic peak power. For transformerless inverters, this now forces the use of IGBTs with a typical reverse voltage capability of 1200 V. This, in turn, is associated with efficiency losses due to the comparatively higher switching losses, so that three-phase inverters currently typically have about 2-3% lower efficiency than single-phase inverters.
[0011] Die Erfindung löst diese Probleme durch die Bereitstellung einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung des Patentanspruchs 1. The invention solves these problems by providing an inverter circuit arrangement of claim 1.
[0012] Die erfindungsgemässe Wechselrichter-Schaltungsanordnung ist so aufgebaut, dass die Teilstränge eines Photovoltaikgenerators vorzugsweise getrennt über einzelne Gleichstromsteller an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen werden. Die generatorseitige Entkopplung der Teilstränge ermöglicht eine individuelle Einstellung des Punktes maximaler Leistung (MPP) des jeweiligen Strangs, wodurch die generatorinternen Fehlanpassungen (Mismatch-Verluste) prinzipbedingt vermieden werden. Auch können Teilstränge mit Erdstromfehler abgeschaltet werden, so dass die Verfügbarkeit der Anlage maximiert werden kann. Der Gleichsspannungszwischenkreis bildet den Eingangskreis für ein- oder mehrere parallel geschaltete transformatorlose Wechselrichter. Die Wechselrichter sind ausgangsseitig mit einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz verbunden. The inventive inverter circuit arrangement is constructed so that the sub-strands of a photovoltaic generator are preferably connected separately via individual DC controllers to a common DC voltage intermediate circuit. The generator-side decoupling of the sub-strings allows individual adjustment of the point of maximum power (MPP) of the respective strand, whereby the generator-internal mismatches (mismatch losses) are inherently avoided. It is also possible to switch off subcircuits with ground current faults so that the availability of the system can be maximized. The DC link forms the input circuit for one or more transformerless inverters connected in parallel. The inverters are connected on the output side to a single- or multi-phase AC mains.
[0013] In einer Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 2 erfolgt eine räumliche Verteilung insbesondere der Gleichstromsteller. Die damit verbundene Dezentralisierung, also der direkten Zuordnung eines Teilgenerators im Feld, ermöglicht einen sehr modularen Aufbau grösserer Photovoltaikanlagen. In an embodiment according to claim 2, a spatial distribution in particular of the DC chopper takes place. The associated decentralization, ie the direct assignment of a subgenerator in the field, allows a very modular design of larger photovoltaic systems.
[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 3 werden mehrere Gleichstromsteller und/oder mehrerer Wechselrichter an ihren jeweils zugeordneten Eingangsklemmen und/oder ihren jeweils zugeordneten Ausgangsklemmen parallel geschaltet und der Gleichspannungszwischenkreis wird gegenüber dem Erdpotential floatend gehalten. Damit werden die in Verbindung mit der transformatorlosen Wechselrichtung erzeugten Gleichtaktströme minimiert, was die EMV-Problematik und somit die erforderlichen wechselstromseitigen Entstörmassnahmen grundsätzlich günstig beeinflusst. In an advantageous embodiment according to claim 3, a plurality of DC-DC converter and / or a plurality of inverters are connected in parallel to their respective associated input terminals and / or their respective associated output terminals and the DC voltage intermediate circuit is kept floating relative to the ground potential. Thus, the common mode currents generated in connection with the transformerless alternating direction are minimized, which in principle has a favorable influence on the EMC problem and thus the required AC-side suppression measures.
[0015] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 4 ist der Gleichstromsteller als symmetrischer Hochsetzsteller aufgebaut. Der Hochsetzsteller besitzt zwischen Eingang und Ausgang keine direkte Potentialverbindung, was überhaupt erst einen floatenden Zwischenkreis ermöglicht. Störungen durch Kommutierungsvorgänge des Wechselrichters werden damit nicht auf die Generatorseite übertragen. Der symmetrische Aufbau mit kapazitivem Ausgangsspannungsteiler ermöglicht den Einsatz von sehr schnellen und verlustarmen 600-V-Leistungshalbleitern, obwohl die Zwischenkreisspannung bis typischerweise 900 V ansteigen kann. In an advantageous embodiment according to claim 4, the DC-DC converter is constructed as a symmetrical boost converter. The step-up converter does not have a direct potential connection between input and output, which makes a floating intermediate circuit possible in the first place. Interference caused by commutation of the inverter is thus not transferred to the generator side. The symmetrical design with capacitive output voltage divider allows the use of very fast and low-loss 600 V power semiconductors, although the DC link voltage can typically increase to 900V.
[0016] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 5 werden die Leistungsschalter des symmetrischen Hochsetzstellers unabhängig voneinander angesteuert, wodurch sich grundsätzlich die Potentiale zwischen Generatorseite und Zwischenkreis eingestellt werden können. In an advantageous embodiment according to claim 5, the power switch of the balanced boost converter are controlled independently of each other, which in principle the potentials between the generator side and intermediate circuit can be adjusted.
[0017] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 6 wird durch ein geeignetes Ansteuerungsverfahren für die Leistungsschalter des symmetrischen Hochsetzstellers ein floatendes Potential des Zwischenkreises ermöglicht, ohne die Potentiale auf der Generatorseite zu bewegen. Damit ist eine regelungstechnische Entkopplung von Gleichstromsteller und Wechselrichter möglich. Die Gleichstromsteller arbeiten generatorseitig im Punkt maximaler Leistung (MPP) und die Wechselrichter arbeiten auf eine konstante Zwischenkreisspannung mit unterlagerter wechselstromseitiger Stromregelung. In an advantageous embodiment according to claim 6, a floating potential of the intermediate circuit is made possible by a suitable driving method for the power switch of the balanced boost converter, without moving the potentials on the generator side. This is a control engineering decoupling of DC and inverter possible. The DC choppers operate on the generator side at the point of maximum power (MPP) and the inverters work on a constant DC link voltage with underlying AC-side current control.
[0018] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 7 ist dem symmetrischen Hochsetzsteller ein symmetrischer Tiefsetzsteller vorgeschaltet. Die Knotenpunkte der kapazitiven Spannungsteiler sind nicht verbunden, damit keine Störsignale vom Zwischenkreis auf die Generatorseite gelangen können. Der symmetrische Aufbau mit kapazitivem Eingangsspannungsteiler ermöglicht widerum den Einsatz von sehr schnellen und verlustarmen 600-V-Leistungshalbleitern, obwohl die Eingangsspannung bis typischerweise 1000 V ansteigen kann. In an advantageous embodiment according to claim 7, the symmetrical boost converter is preceded by a symmetrical buck converter. The nodes of the capacitive voltage divider are not connected, so that no interference signals can reach the generator side from the DC link. The balanced design with capacitive input voltage divider allows again the use of very fast and low loss 600 V power semiconductors, although the input voltage can typically increase up to 1000V.
[0019] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 8 werden die Leistungsschalter derart gesteuert, dass eine vollständige potentialmässige Entkopplung zwischen Generatorseite und Zwischenkreis möglich ist und damit auch unkritische generatorseitige Erdströme einen korrekten Einspeisebetrieb des transformatorlosen Wechselrichters zulassen. Im Extremfall eines unzulässigen Erdstromfehlers kann der betreffende Generatorstrang komplett abgeschaltet werden. In an advantageous embodiment according to claim 8, the circuit breakers are controlled so that a complete potential decoupling between the generator side and intermediate circuit is possible and thus allow uncritical generator side earth currents correct feed operation of the transformerless inverter. In the extreme case of an impermissible ground fault, the generator train in question can be completely switched off.
[0020] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 9 werden parallelgeschaltete transformatorlose Wechselrichter entsprechend ihrer Anzahl symmetrisch versetzt getaktet, so dass sich die Welligkeit des Ausgangsstroms verringert. In an advantageous embodiment according to claim 9 parallel switched transformerless inverters are clocked symmetrically offset according to their number, so that reduces the ripple of the output current.
[0021] In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 10 wird die Schaltfrequenz der Wechselrichter in Abhängigkeit der Wechselstromamplituden moduliert, so dass sich eine Verringerung der Schaltverluste und damit eine Wirkungsgradverbesserung ergibt. In an advantageous embodiment according to claim 10, the switching frequency of the inverter is modulated in dependence of the alternating current amplitudes, so that there is a reduction of the switching losses and thus an improvement in efficiency.
Ausführungsbeispieleembodiments
[0022] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen: <tb>Fig. 1<sep>ein Blockschaltbild der Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit Photovoltaikgenerator, Gleichstromsteller, Gleichspannungszwischenkreis, Wechselrichter und Wechselstromnetz mit allen relevanten Spannungen <tb>Fig. 2<sep>ein Ausführungsbeispiel der Wechselrichter-Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 mit Hochsetzsteller und transformatorlosem Wechselrichter <tb>Fig. 3<sep>eine Ausführungsvariante des Gleichstromsteller gemäss Fig. 1 auf Basis eines Tief-/Hochsetzstellers ohne direkte ein- und ausgangsseitige Potentialverbindung <tb>Fig. 4<sep>ein Blockdiagramm für die Erzeugung der Ansteuerungssignale des Gleichstromstellers gemäss Fig. 2bzw. Fig. 3 <tb>Fig. 5<sep>ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau des transformatorlosen Wechselrichters gemäss Fig. 1und Fig. 2im Fall der Kopplung mit einem dreiphasigen Wechselstromnetz <tb>Fig. 6<sep>ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Brückenzweigs gemäss Fig. 5Advantageous embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. Hereby show: <Tb> FIG. 1 <sep> is a block diagram of the inverter circuitry with photovoltaic generator, DC-DC converter, DC link, inverter and AC grid with all relevant voltages <Tb> FIG. 2 <sep> an embodiment of the inverter circuit arrangement according to FIG. 1 with boost converter and transformerless inverter <Tb> FIG. 3 <sep> an embodiment of the DC chopper according to FIG. 1 based on a buck / boost converter without direct input and output potential connection <Tb> FIG. 4 is a block diagram for the generation of the drive signals of the DC adjuster according to FIG. Fig. 3 <Tb> FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the construction of the transformerless inverter according to FIG. 1 and FIG. 2 in the case of the coupling with a three-phase alternating current network <Tb> FIG. 6 <sep> an embodiment for the construction of a bridge branch according to FIG. 5
[0023] Die in Fig. 1 dargestellte Wechselrichter-Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Photovoltaikgenerators mit einem Wechselstromnetz beinhaltet einen Photovoltaikgenerator, einen Gleichstromsteller (1), einen Gleichspannungszwischenkreis (2), einen transformatorlosen Wechselrichter (3) sowie den ein- oder mehrphasigen Anschluss an ein Wechselstromnetz. Die Kopplung des Photovoltaikgenerators mit dem Gleichstromsteller erfolgt über die Anschlüsse E1 und E2. Der Gleichstromsteller ist ausgangsseitig über die Klemmen Z1 und Z2 mit einem Gleichspannungszwischenkreis (2) verbunden. Dieser Gleichspannungszwischenkreis bildet über die Anschlüsse Z1 und Z2 den Eingangskreis des Wechselrichters (3). Der Wechselrichter ist ein- oder mehrphasig ausgeführt und ausgangsseitig mit dem Wechselstromnetz über die Anschlüsse (hier: A1 bis A3) verbunden. Wie angedeutet, können mehrere Gleichstromsteller und/oder Wechselrichter jeweils ein- und ausgangsseitig parallel geschaltet werden. The inverter circuit arrangement shown in Fig. 1 for coupling a photovoltaic generator with an AC mains includes a photovoltaic generator, a DC-DC converter (1), a DC intermediate circuit (2), a transformerless inverter (3) and the single- or multi-phase connection to a AC mains. The coupling of the photovoltaic generator with the DC chopper via the terminals E1 and E2. The DC-DC converter is connected on the output side via the terminals Z1 and Z2 to a DC voltage intermediate circuit (2). This DC voltage intermediate circuit forms the input circuit of the inverter (3) via the terminals Z1 and Z2. The inverter is single-phase or multi-phase and connected on the output side to the AC mains via the connections (here: A1 to A3). As indicated, several DC choppers and / or inverters can each be connected in parallel on the input and output side.
[0024] Der Photovoltaikgenerator weist insbesondere über die metallische Rahmenverbindung der Solarmodule eine Kopplungskapazität gegen Erde auf. Das sich abhängig vom mechanischen Aufbau des Photovoltaikgenerators, der Verkabelung sowie Wettereinflüssen, z.B. Luftfeuchte, ergebende kapazitive Netzwerk ist äusserst kompliziert und nicht konstant. Aus diesem Grund wird das in der Realität vorhandene variable kapazitive Netzwerk in ein konzentriertes Bauelement einer Ersatzableitkapazität CGE gegen Erde überführt, die in Fig. 1 flächig am Photovoltaikgenerator angreifend dargestellt ist. Generatorseitig liegt zwischen den Klemmen E1 und E2 eine Spannung UG an. Der Anschluss E1 weist ein Potential UE1gegen Erde auf und Anschluss E2 weist ein Potential UE2gegen Erde auf. Entsprechend weisen die Klemme Z1 ein Potential UZ1 und die Klemme Z2 ein Potential UZ2 gegen Erde auf. Die Spannung zwischen den Klemmen Z1 und Z2 wird mit UZK bezeichnet. The photovoltaic generator has in particular via the metallic frame connection of the solar modules on a coupling capacity to earth. Depending on the mechanical structure of the photovoltaic generator, the wiring and weather conditions, e.g. Humidity, resulting capacitive network is extremely complicated and not constant. For this reason, the variable capacitive network present in the real world is converted into a concentrated component of a substitute leakage capacitance CGE to ground, which is shown in FIG. 1 in an attacking manner on the photovoltaic generator. On the generator side, a voltage UG is applied between the terminals E1 and E2. The terminal E1 has a potential UE1 to ground and terminal E2 has a potential UE2 to ground. Accordingly, the terminal Z1 has a potential UZ1 and the terminal Z2 has a potential UZ2 against ground. The voltage between terminals Z1 and Z2 is called UZK.
[0025] Die Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform des Gleichstromstellers (1) mit Hilfe zweier potentialverbindender Hochsetzsteller, wobei diese spiegelbildlich zum Knotenpunkt K1 aufgebaut sind. Der Teilhochsetzsteller 1 besteht aus Kapazität C1, Induktivität L1, Leistungsschalter S1, Diode D1. Entsprechend ist Teilhochsetzsteller 2 aus Kapazität C2, Induktivität L2, Leistungsschalter S2, Diode D2 aufgebaut. Die Knotenpunktsverbindung K1 ist ausgangsseitig die elektrische und funktionelle Verbindung der beiden Teilhochsetzsteller. Eingangsseitig sind die Teilsteller über eine gemeinsame Kapazität C0 gekoppelt. Die Zustände der Leistungsschalter S1 und S2 werden über ein Taktsignal Ts1 und Ts2 gesteuert. Bei synchroner Ansteuerung der beiden Leistungsschalter ist eine magnetische Kopplung der beiden Induktivitäten L1 und L2 möglich. Fig. 2 illustrates an embodiment of the DC adjuster (1) by means of two potential-connecting step-up converter, wherein these are constructed in mirror image to the node K1. The partial boost converter 1 consists of capacitance C1, inductance L1, power switch S1, diode D1. Correspondingly, partial boost converter 2 is constructed from capacitance C2, inductance L2, power switch S2, diode D2. On the output side, the node point connection K1 is the electrical and functional connection of the two partial boost converters. On the input side, the dividers are coupled via a common capacitance C0. The states of the power switches S1 and S2 are controlled via a clock signal Ts1 and Ts2. With synchronous control of the two power switches, a magnetic coupling of the two inductors L1 and L2 is possible.
[0026] Die Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Gleichstromstellers (1) mit Hilfe eines symmetrisch aufgebauten Tief-/Hochsetzstellers. In Anlehnung an die Bezeichnungen der Bauelemente der Hochsetzsteller in Fig. 3ergibt sich die tiefsetzende Funktion durch die zusätzlichen Bauelemente Leistungsschalter S3, Diode D3 und Kapazität C3 sowie Leistungsschalter S4, Diode D4 und Kapazität C4. Als Besonderheit weisen die Knotenpunktsverbindungen K1 und K2 keine direkte Verbindung auf, so dass dynamisch eine potentialmässige Entkopplung von Eingangs- und Ausgangsseite möglich ist. Die Zustände der Leistungsschalter S1 bis S4 werden über die Taktsignale TS1 bis TS4gesteuert. Bei synchroner Ansteuerung der Leistungsschalterpaare S1, S2 bzw. S3, S4 ist widerum eine magnetische Kopplung der beiden Induktivitäten L1 und L2 möglich. Fig. 3 illustrates another embodiment of the DC adjuster (1) by means of a symmetrically constructed buck / boost converter. Based on the designations of the components of the boost converter in Fig. 3ergibt the deep-setting function by the additional components circuit breaker S3, diode D3 and capacitance C3 and power switch S4, diode D4 and capacitance C4. As a special feature, the node connections K1 and K2 have no direct connection, so that dynamically a potential decoupling of input and output side is possible. The states of the power switches S1 to S4 are controlled via the clock signals TS1 to TS4. With synchronous control of the circuit breaker pairs S1, S2 and S3, S4 is again a magnetic coupling of the two inductors L1 and L2 possible.
[0027] Zur Ansteuerung des Gleichstromstellers (1) dient eine in Fig. 4 dargestellte Steuerungseinheit (4), der als Eingangsinformationen die Generatorspannung UG, die Zwischenkreisspannung UZKsowie die beiden erdbezogenen Spannungen UE1und UE2 zugeführt werden und die anhand dieser Eingangsinformationen Ansteuertaktsignale für die Leistungsschalter S1 bis S4 des Gleichstromstellers abgibt. Da die Generatorspannung UG aus den beiden Spannungen UE1 und UE2berechnet werden kann, genügt es in alternativen Ausführungsformen der Steuerungseinheit (4), nur zwei der drei Spannungsinformationen UG, UE1, UE2 zusätzlich zur Zwischenkreisspannungsinformation UZK zuzuführen. Zur Vollständigkeit sei erwähnt, dass alternativ die Zwischenkreisspannung UZK auch aus den erdbezogenen Spannungen UE3 und UE4 berechnet werden kann oder diese Spannungen auch direkt als Steuerungsinformationen verwendet werden können. Im Übrigen ist die Steuerungseinheit (4) von einem, für den Fachmann geläufigen Aufbau, was hier folglich keiner näheren Erläuterung bedarf. To control the DC adjuster (1) is a control unit shown in Fig. 4 (4), which are supplied as input information, the generator voltage UG, the intermediate circuit voltage UZK and the two earth-related voltages UE1 and UE2 and based on these input information control clock signals for the power switch S1 to S4 of the DC adjuster outputs. Since the generator voltage UG can be calculated from the two voltages UE1 and UE2, it is sufficient in alternative embodiments of the control unit (4) to supply only two of the three voltage information UG, UE1, UE2 in addition to the intermediate circuit voltage information UZK. For completeness it should be mentioned that alternatively the intermediate circuit voltage UZK can also be calculated from the earth-related voltages UE3 and UE4 or these voltages can also be used directly as control information. Incidentally, the control unit (4) of a, familiar to those skilled construction, which therefore requires no further explanation here.
[0028] Zur Vollständigkeit ist in Fig. 5der Aufbau des transformatorlosen Wechselrichters (3) als dreiphasige Variante mit drei Brückenzweigen BZ1, BZ2, BZ3 dargestellt, wobei alle Brückenzweige eingangsseitig über die Anschlussklemmen Z1 und Z2 mit dem Zwischenkreis verbunden sind. For completeness, the structure of the transformerless inverter (3) is shown in Fig. 5 as a three-phase variant with three bridge arms BZ1, BZ2, BZ3, all bridge arms are connected on the input side via the terminals Z1 and Z2 to the DC link.
[0029] In Fig. 6 ist die beispielhafte Ausführungsform des Brückenzweigs BZ1 dargestellt, wobei die anderen Brückenzweige identisch aufgebaut sind. Die Schaltung ist dem Fachmann geläufig und bedarf keiner weiteren Erklärung. Alternativ sind auch andere bidirektionale Kommutierungsvorrichtungen, z.B. Neutralpunkt-geklemmte Topologien, einsetzbar. In Fig. 6, the exemplary embodiment of the bridge branch BZ1 is shown, wherein the other bridge arms are constructed identically. The circuit is familiar to the expert and requires no further explanation. Alternatively, other bidirectional commutation devices, e.g. Neutral point clamped topologies, can be used.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH01513/07A CH701165B1 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH01513/07A CH701165B1 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH701165B1 true CH701165B1 (en) | 2010-12-15 |
Family
ID=43308289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH01513/07A CH701165B1 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH701165B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2624427A3 (en) * | 2012-02-06 | 2017-10-04 | LG Electronics, Inc. | Charge apparatus and electric vehicle including the same |
-
2007
- 2007-10-01 CH CH01513/07A patent/CH701165B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2624427A3 (en) * | 2012-02-06 | 2017-10-04 | LG Electronics, Inc. | Charge apparatus and electric vehicle including the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1369985B1 (en) | Inverter for transforming a DC voltage into an AC current or an AC voltage | |
| EP2051357B1 (en) | Inverter, in particular for solar panel assemblies | |
| DE102011011329B4 (en) | Boost converter | |
| DE102006014780A1 (en) | Direct current regulator for integrated network coupling of photovoltaic generator, has single or multi-phase transformer less inverter provided for coupling photovoltaic generator at direct current voltage intermediate circuit | |
| EP2815497B1 (en) | Grid feed apparatus, energy feed system and method for operating a grid feed apparatus | |
| EP2107672A1 (en) | Three-phase inverter without connection between the neutral conductor of the grid and the mid-point of the intermediate circuit | |
| AT505801B1 (en) | METHOD FOR OPERATING AN ELECTRONICALLY CONTROLLED INVERTER | |
| EP2515424A2 (en) | Direct current converter | |
| DE102005047373A1 (en) | Low-setting plate circuit consists of input and output connections with main branches between them as well as input-side condenser and output-side diode series connections | |
| DE102013005070B4 (en) | High-buck converter | |
| DE102011018357B4 (en) | DC-DC converter | |
| EP2421135B1 (en) | Transformerless inverter with step-down-converter | |
| CH700030B1 (en) | Inverter-circuit arrangement for use in inverter system to couple photovoltaic- and fuel cell systems, has step-up converter circuit connected to intermediate circuit and direct current voltage side at input- and output sides, respectively | |
| EP2582030A2 (en) | Circuit arrangement with inverter | |
| CH698917B1 (en) | Transformerless inverter circuit arrangement, particularly for grid connection of photovoltaic generator or fuel cell system, has synchronized and controlled commutator circuit connected on output side of direct current control circuit | |
| WO2009156021A1 (en) | Voltage conversion circuit and inverter | |
| DE10225020A1 (en) | Circuit arrangement for converting direct to alternating current has power compensation so power or current fed to inverter in one direct voltage branch is equal to that drawn from other branch | |
| DE102008050765A1 (en) | Inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public grid | |
| CH701165B1 (en) | Inverter circuit arrangement for coupling photovoltaic generators to alternating current network, has current voltage intermediate circuit attached to alternating current network by transformer-less inverter | |
| EP2713494A1 (en) | Energy feed device for feeding electrical energy generated from kinetic energy into an alternating current distributor network | |
| EP3331118B1 (en) | System for transmitting electric power | |
| DE19832226B4 (en) | Four quadrant converter for medium and higher voltages | |
| CH706337A2 (en) | Converter circuitry for transmission of electrical power of multi-phase change voltage system or voltage system, has transformer arrangement formed such that magnetic flux of primary windings in secondary windings is summed | |
| DE102013005808B4 (en) | DC converter | |
| DE102021108280A1 (en) | DC/DC CONVERTER DEVICE FOR A WIND TURBINE, AN ELECTRICAL PROPULSION SYSTEM, OR FOR AN INDUSTRIAL DC SUPPLY NETWORK AND METHOD OF OPERATION |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |